PCIe系列专题之三：3.2 数据链路层Ack/Nak机制解析

一、故事前传

前面的文章针对PCIe的一部分内容已经做了解析。

较为详细解释请见之前的文章：

1. PCIe技术概述；

2.0~2.8 PCIe Transaction layer事务层详细解析；

3.0 PCIe数据链路层概述；

3.1 PCIe数据链路层DLLP结构与类型介绍；

二、Ack/Nak机制

在上一篇文章"DLLP结构与类型"中，我们有说到，数据链路层会产生多个DLLP。其中有两个DLLP分别是Ack DLLP和Nak DLLP。这两个DLLP均是由接收端传至发送端，也可以理解为一种反馈机制。

Ack DLLP: 表示接收端收到了来自发送端的正确的TLP报文；

Nak DLLP: 表示接收端有来自发送端的TLP报文没有被正确接收，需要发送端重新发送。

我们通过下面这张图，先来大致了解一下Ack/Nak的工作机制：

1. 发送端数据链路层传送一个TLP(Sequence+TLP+LCRC)，通过Link，到达接收端。

2. 接收端接收到来自发送端数据链路层的TLP报文之后，先检验LCRC，在检验Sequence ID。

3. 当Sequence ID和LCRC检验均正确时，接收端返回Ack DLLP告知发送端:"您发送的TLP，我方已正确接收，请知悉！"。

4. 当Sequence ID或者LCRC检验中，发现哪怕一个错误，接收端都会返回Nak DLLP告知发送端:"对不起，您发送的TLP没有被正确接收，请您再发送一下"。

现在大概知道Ack/Nak的工作机制了吧？继续往下看，再来一张图。

是不是有点晕？小编第一次看到的时候也晕~

上面这幅图是数据链路层Ack/Nak机制详细的结构图，理解了上面这幅图就基本掌握了Ack/Nak机制。

 不要被上面这幅图吓到，我们下面就一步一步地解析：

1. 从发送端事务层传送的TLP达到数据链路层

如下图红色圈内所示。

不过，这里需要注意的是：当Retry buffer是满的或者正在执行重新发送TLP的状态，数据链路层将会锁定TLP传送，不再接收。

2. 为TLP分配Sequence ID

当TLP到达数据链路层之后，第一件事就是被分配Sequence ID。也可以理解为给TLP一个身份编号，以便于后续的检验工作。

这里还要提一个参数：NEXT_TRANSMIT_SEQ, 简称NTS，是一个12位的Sequence ID计数器，初始值为0，最大取值为4095。一个TLP被分配Sequence ID之后，NTS会加1，然后把累加后的数值再赋值给下一个TLP。

3. 为TLP增加LCRC

TLP分配Sequence ID之后，下一步就是生成LCRC。

LCRC为32位，基于事务层传送的TLP和数据链路层分配的Sequence ID生成。

4. 将TLP在Retry Buffer备份

TLP在加上前缀Sequence ID和后缀LCRC之后，会在Retry Buffer里面完整备份。

• 单个TLP最大占用的Retry Buffer大小为：4122 Bytes ( 2 bytes Sequence ID + 16 bytes Header + 4096 bytes Data + 4 bytes ECRC +  4 bytes LCRC ).

• PCIe Spec中并没有规定Retry Buffer大小，不同的设计采用的大小不同，但是必须保证在TLP传输的过程中不能遇到瓶颈.

5. 接收端对接收的TLP进行LCRC检查

接收端接收到发送端传来的TLP后会先根据Sequence ID, Header, Data, ECRC计算LCRC，然后再跟传进来的LCRC对比，检查是否一致。

6. LCRC检查fail

当LCRC检查fail时，会舍弃刚才传进来的TLP，并将NAK_SCHEDULED标志位置起来，给发送端回报NAK DLLP。此外将期望接收到

7. LCRC检查OK，检查Sequence ID。

当TLP的LCRC检查OK之后，接收端继续检查Sequence ID。这里出现了新的参数：NEXT_RSV_SEQ，简称NRS，用于追踪下一个期望获得的TLP的Sequence ID，NRS有12位，取值范围0~4095。

检查Sequence ID时分为三个情况：

• Sequence ID=NRS, 代表是TLP接收正确；

• Sequence ID<NRS, 代表是TLP是重复的；

• Sequence ID>NRS, 代表是TLP有发生丢失的情况；

(1) 当Sequence ID=NRS时,

这个情况下，正确接收TLP，并将TLP传送至上次事务层。同时NRS要加1，准备接收下一个TLP。另外还要给发送端回报Ack DLLP告知发送端已正确接收TLP。

(2) 当Sequence ID<NRS时,

这个情况下，代表接收端收到了重复的TLP。当下收到的这个TLP会被舍弃，此时NRS保持原有数值，并给发送端回报上一个有效TLP的Ack DLLP。

(3) 当Sequence ID>NRS时,

这个情况下，代表当下Sequence ID之前的TLP丢失。当下收到的这个TLP会被舍弃，此时NRS保持原有数值，NAK_SCHEDULED标志位被置起，并给发送端回报上一个有效TLP的Ack DLLP。

8. Ack/Nak Latency Timer

接收端还有一个重要的参数：Ack/Nak Latency Timer。延迟时间不是固定的，与Link Width, Max Payload有关。

Latency timer超时，Ack/Nak生成器会给发送端发送Ack DLLP。发送Ack DLLP之后，Latency Timer会重置。

9. 发送端检查接收端返回的DLLPs

当发送端收到接收端返回Ack/Nak DLLPs之后，会先检查其CRC，如下图红色圈内所示。

发送端会根据Ack/Nak DLLPs的Byte0~3计算CRC，并与传进来的CRC作对比，验证是否一致。

(1) CRC检查 fail

只要CRC检查fail, 当下的Ack/Nak DLLPs就会被舍弃。

(2) CRC检查OK之后，继续后续步骤

10. 发送端检查AS参数

这里有一个新的参数：Acknowledged Sequence Numbers, 简化标记为AckD_SEQ, 缩写为AS。AckD_SEQ是一个12位的计数器，用于记载最近收到的Ack/Nak DLLP中的Sequence ID。

当发送端收到的Ack/Nak DLLP中的Sequence ID大于AS时，代表TLPs传输正在进行中。

11. 接收到Nak DLLP，TLP retry

当发送端接收到一个Nak DLLP时，代表前面传送的TLP有问题，需要重新发送。此时会有两种情况：

(1) 如果Nak DLLP的Sequence ID=AS：

这个情况下，说明没有新的TLP传输。此时需要将Retry buffer中所有的TLPs重新发送，并且更新Relay_NUM加1.

(2) 如果Nak DLLP的Sequence ID>AS：

这个情况下，说明有新的TLP传输。此时需要将Retry buffer中Nak DLLP中Sequence ID之前的TLP全部清空，并将当下的TLP重新发送。与此同时，将Replay_TIMER以及Replay_NUM重置，并且Replay_NUM重置后加1.

12. NTS-AS>=2048?

发送端在接收到Ack/Nak DLLPs最后一步要检验NTS-AS差值，NTS-AS差值最小为2048. 

• 如果NTS-AS>=2048不成立，则说明数据链路层有协议错误。

• 如果NTS-AS>=2048成立，则数据链路层继续传输TLPs。

看完上面的理论之后是不是还有点晕晕的~我们再来看两个例子加深一下理解。

例1: TLPs丢失

(1) 下图中，Device A要给Device B传输5个TLPs, Sequence ID分别是4094，4095，0，1，2.

(2) TLP 4094第一个被成功接收，返回Ack DLLP给Device A, 同时Next_RCV_SEQ加1(也就是=4095)。

(3) TLP 4095第二个被成功接收，返回Ack DLLP给Device A, 同时Next_RCV_SEQ加1(也就是=0，因为4095+1超过了Next_RCV_SEQ的最大取值4095，从0开始记)。

(4) TLP 4094第三个被成功接收，返回Ack DLLP给Device A, 同时Next_RCV_SEQ加1(也就是=1)。

(5) 在TLP 0被成功接收之后，AckNak_LATENCY_TIMER超时，重新发送Sequence ID=0对应的Ack DLLP。

(6) TLP1在传输的过程中由于某些原因(比如物理层的Error)丢失，TLP 2继续传输。但是在Device B端在等待TLP 1。比较Sequen ID (=2)与NRS(=1)发现，Sequence ID>NRS, Device B端才知道有TLP丢失。此时将TLP 2丢弃，并回报 NRS-1( 1-1=0)对应的Nak，也就是Nak 0.

(7) Device A端接收到Sequence ID=0对应的Ack DLLP之后，重新发送TLP 1和TLP2，并且将Sequence ID=0之前的TLPs(4094,4095,0)全部从Retry Buffer里面清除。

例2: Nak DLLP错误

(1) 下图中，Device A要给Device B传输5个TLPs, Sequence ID分别是4094，4095，0，1，2.

(2) TLP 4094，4095, 0被依次成功接收，此时Next_RCV_SEQ=1。

(3) 在TLP 1到达Device B端，检查32-bit LCRC fail. 此时，返回NRS-1对应的Nak DLLP，也就是Nak 0。

(4) Nak 0到达Device A端，检查16-bit CRC fail，Nak 0则被丢弃。

(5) Nak 0被丢弃后，Device B不会再发送任何Ack或者Nak。由于长时间没有收到Device B的反馈(Ack/Nak)，Replay_TIMER超时，Device A将Retry buffer中所有的TLPs重新发送。

(6) TLP 4094,4095,0重新发送后在Device B端会被识别到时重复的TLPs, 然后被丢弃。TLP1,2继续正确传输。